UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA
Escuela Técnica Superior de Ingeniería del Diseño
CONTROL FOC DE MOTORES BLDC
TRABAJO FINAL DEL
Grado en Ingeniería Eléctrica
REALIZADO POR
SERGIO CIFRE GREGORIO
TUTORIZADO
POR
FRANCISCO RODRÍGUEZ BALLESTER
2
ÍNDICE DE CONTENIDOS:
ÍNDICE DE FIGURAS ... 5
ÍNDICE DE TABLAS ... 7
ÍNDICE DE ACRÓNIMOS ... 8
I.
MEMORIA ... 9
RESUMEN ... 11
RESUM ... 12
ABSTRACT ... 13
1.
OBJETIVOS. ... 14
2.
LOS MOTORES BLDC... 15
2.1. MAGNETISMO. ... 16 2.1.1. POLOS MAGNÉTICOS. ... 16 2.1.2. INDUCCIÓN MAGNÉTICA ... 17 2.1.3. LEY DE BIOT-SAVART ... 18 2.1.4. LA LEY DE LAPLACE ... 202.2. ¿POR QUÉ MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA? ... 21
2.3. DESARROLLO CONSTRUCTIVO DE LOS MOTORES BLDC. ... 21
2.3.1. ESTATOR ... 22
2.3.2. ROTOR ... 24
2.3.3. RELACIÓN BOBINAS (RANURAS) VS. POLOS. ... 25
2.3.4. INRUNNER VS. OUTRUNNER ... 26
2.4. CARACTERÍSTICA KV DEL MOTOR. ... 31
2.5. ELECTRONIC SPEED CONTROLLER. ... 33
2.6. APLICACIONES DE LOS MOTORES BLDC. ... 36
2.7. MOTORES BLDC VS. MOTOR SÍNCRONO, ASÍNCRONO Y DC. ... 37
2.7.1. MOTOR BLDC VS. MOTOR SINCRÓNICO DE IMANES PERMANENTES. ... 37
2.7.2. MOTOR BLDC VS. MOTOR ASÍNCRONO. ... 39
2.7.3. MOTOR BLDC VS. MOTOR DC. ... 40
3.
EL CONTROL FOC (FIELD ORIENTED CONTROL). ... 42
3.1. LOS PRINCIPIOS DEL FOC. TRANSFORMACIÓN DE COORDENADAS. ... 44
3.1.1. TRANSFORMADA DE CLARKE. ... 44
3.1.2. TRANSFORMADA DE PARK. ... 45
3.1.3. EL CONTROL PI. ... 45
3.1.4. TRANSFORMADA INVERSA DE PARK ... 47
3.1.5. TRANSFORMADA INVERSA DE CLARKE. ... 47
3.1.6. SVM O SVPWM. MODULACIÓN ESPACIO VECTORIAL. ... 48
3
3.2.1. MEDICIÓN DE POSICIÓN... 50
3.3. CONTROL FOC SIN SENSORES. ... 51
3.3.1. MODELO DEL MOTOR. ... 52
3.4. DEBILITAMIENTO DE CAMPO. ... 54
3.5. MODO DE FUNCIONAMIENTO. ... 55
3.5.1. MODO DE VELOCIDAD... 55
3.5.2. MODO DE PAR. ... 55
3.6. ARRANQUE DEL MOTOR. ... 55
3.7. APLICACIONES DEL CONTROL FOC. ... 56
4.
CONTROL FOC PARA UN MOTOR BLDC. ... 57
4.1. DESCRIPCIÓN DEL HARDWARE. ... 58
4.1.1. MICROCONTROLADOR STM32F302R8 ... 58
4.1.2. X-NUCLEO-IHM07M1. ... 59
4.1.3. FUENTE DE ALIMENTACIÓN. ... 59
4.1.4. MOTOR BULLRUNNING BR2804-1700kv-1. ... 60
4.2. DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE... 61
4.2.1. MOTOR PROFILER... 61
4.2.2. ST MOTOR CONTROL WORKBENCH. ... 65
4.2.3. STM32CubeMX. ... 69
4.2.4. IAR EMBEDDED WORKBENCH. ... 72
4.3. EXPOSICIÓN DE PRUEBAS Y RESULTADOS. ... 73
4.3.1. HERRAMIENTAS DE PRUEBAS. ... 73
4.3.2. PRUEBAS EMPÍRICAS DEL CONTROL PI. ... 76
4.3.3. RAMPAS DE VELOCIDAD. ... 81
5.
CONCLUSIONES. ... 84
II.
PRESUPUESTO ... 86
6.
DESCRIPCIÓN DEL PRESUPUESTO. ... 87
7.
COSTE DE LOS MATERIALES. ... 88
8.
COSTE DE LA MANO DE OBRA. ... 88
9.
COSTE FINAL DEL PROYECTO. ... 88
III.
PLIEGO DE CONDICIONES ... 90
10.
DEFINICIÓN Y ALCANCE DEL PLIEGO. ... 91
11.
CONDICIONES Y NORMAS DE CARÁCTER GENERAL. ... 91
11.1. INSTALACIÓN. ... 91
4 11.3. UTILIZACIÓN. ... 92 11.4. MANTENIMIENTO. ... 92
12.
CONDICIONES PARTICULARES. ... 92
12.1. TECNICAS. ... 92 12.1.1. P-NUCLEO-IHM001 ... 92 12.1.2. MOTOR BULLRUNNING BR2804-1700KV-1 ... 93IV.
ANEXOS ... 94
13.
ANEXO 1 ... 96
V.
BIBLIOGRAFÍA. ... 125
14.
BIBLIOGRAFÍA ... 127
5
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 1:ATRACCIÓN Y REPULSIÓN ENTRE POLOS.FUENTE:MONOLITHICPOWER. 17 FIGURA 2:LEY DE BIOT-SAVART.FUENTE: PHYS.LIBRETEXTS.ORG 19 FIGURA 3:REGLA DE FLEMING DE LA MANO IZQUIERDA.FUENTE: ELECTRICAL4YOU 21
FIGURA 4:DETALLE DE LAS PARTES DEL MOTOR BLDC.FUENTE:HOWTOMECHATRONICS. 22 FIGURA 5:CONFIGURACIÓN EN ESTRELLA (STAR) DE LOS BOBINADOS DE UN MOTOR.FUENTE: E-RADIOCONTROL.COM. 23 FIGURA 6:FUERZA CONTRAELECTROMOTRIZ DE FORMA TRAPEZOIDAL PRODUCIDA POR UN BLDC.FUENTE:MICROCHIP. 23 FIGURA 7:DISPOSICIÓN DE LOS IMANES:EN SUPERFICIE, ENTERRADOS Y ENCASTRADOS.FUENTE:MICROCHIP. 25
FIGURA 8:DETALLE DEL ESTATOR DE UN MOTOR BRUSHLESS INRUNNER.FUENTE:MICROCHIP. 27 FIGURA 9:DETALLE DEL ESTATOR (DERECHA) CON BOBINADO CONCENTRADO Y DEL ROTOR (IZQUIERDA) DE UN MOTOR
OUTRUNNER.FUENTE:ARCHIVO DEL AUTOR. 28 FIGURA 10:MOTOR BRUSHLESS OUTRUNNER BR2804-1700KV.FUENTE:ARCHIVO DEL AUTOR. 29
FIGURA 11:MOTOR BRUSHLESS INRUNNER TURNIGY XK2845-3650KV.FUENTE:HOBBYKING.COM 29 FIGURA 12:CIRCUITO EQUIVALENTE MOTOR BRUSHLESS. 32 FIGURA 13:CARACTERÍSTICA PAR/VELOCIDAD MOTOR BRUSHLESS.FUENTE:MICROCHIP. 33 FIGURA 14:CONMUTACIÓN DE LOS MOSFET EN UN MOTOR BLDC.FUENTE:HOWTOMECHATRONICS. 34
FIGURA 15:ESQUEMA FUNCIONAL DEL CIRCUITO ESC.FUENTE:MICROCHIP. 35 FIGURA 16:PROCESO DE CONMUTACIÓN (ENERGIZACIÓN) DE LOS BOBINADOS DEL MOTOR.FUENTE:MICROCHIP. 36 FIGURA 17:TRANSFORMACIONES QUE SE LLEVAN A CABO EN EL CONTROL FOC.FUENTE: E-PUBLICATIONS@MARQUETTE. 42 FIGURA 18:ANALOGÍA ENTRE EL CONTROL DE UNA MÁQUINA AC(P.EJEM.ACIM) Y EL CONTROL DE UNA MÁQUINA DC.
FUENTE:MÁQUINAS ELÉCTRICAS:TÉCNICAS MODERNAS DE CONTROL. 43 FIGURA 19:TRANSFORMACIÓN DE CLARKE.FUENTE:MICROCHIP. 44 FIGURA 20:TRANSFORMADA DE PARK.FUENTE:MICROCHIP. 45 FIGURA 21:REPRESENTACIÓN DE UN SISTEMA EN LAZO CERRADO.FUENTE: TECINGENIERIACLASICO.BLOGSPOT.COM. 46 FIGURA 22:TRANSFORMADA INVERSA DE PARK.FUENTE.MICROCHIP. 47 FIGURA 23:TRANSFORMADA INVERSA DE CLARKE.FUENTE:MICROCHIP. 48 FIGURA 24:REPRESENTACIÓN ESPACIAL DE LOS 6 VECTORES +2 VECTORES NULOS.FUENTE:MICROCHIP. 48 FIGURA 25:COMPOSICIÓN VECTORIAL.FUENTE:MICROCHIP. 49 FIGURA 26:DIAGRAMA DE BLOQUES DEL CONTROL FOC CON SENSORES DE UN PMSM.FUENTE:MICROCHIP.(30) 50
FIGURA 27:TREN DE PULSOS GENERADO POR EL ENCODER DE UN MOTOR.FUENTE:MICROCHIP. 51 FIGURA 28:MODELO DEL MOTOR BLDC.FUENTE:MICROCHIP. 52 FIGURA 29:SEÑALES DE SENSORES DE EFECTO HALL Y SEÑALES PRODUCIDAS POR LA F.C.E.M.FUENTE:RESEARCHGATE. 54 FIGURA 30:CURVA DE DEBILITAMIENTO DE CAMPO.FUENTE:MICROCHIP. 55 FIGURA 31:DIAGRAMA DE BLOQUES DEL ARRANQUE DE UN MOTOR PMSM.FUENTE:MICROCHIP. 56 FIGURA 32:KIT DE DESARROLLO DE CONTROL FOC Y 6 STEPS.FUENTE:ST.COM 57 FIGURA 33:MICROCONTROLADOR STM32F302R8.FUENTE:ARCHIVO DEL AUTOR. 58 FIGURA 34:SHIELD DE POTENCIA X-NUCLEO-IHM07M1.FUENTE:ARCHIVO DEL AUTOR. 59 FIGURA 35:DISPOSICIÓN DEL KIT DE CONTROL.FUENTE:ARCHIVO DEL AUTOR. 60 FIGURA 36: INTERFAZ DEL PROGRAMA MOTOR PROFILER.FUENTE.MOTOR PROFILER,AUTOR. 61 FIGURA 37:RESULTADO DEL ENSAYO DEL MOTOR CON EL MOTOR PROFILER.FUENTE:MOTOR PROFILER,AUTOR. 62 FIGURA 38:CONSOLA DE CONTROL INTEGRADA EN MOTOR PROFILER.FUENTE:MOTOR PROFILER,AUTOR. 65 FIGURA 39:INTERFAZ DEL PROGRAMA MCWORKBENCH.FUENTE:STMCWORKBENCH,AUTOR. 66
FIGURA 40:PARÁMETROS DE ENTRADA DEL PROGRAMA A INDICAR POR EL USUARIO.FUENTE:STMCWORKBENCH,AUTOR. 67 FIGURA 41:INTERFAZ PRINCIPAL DEL PROGRAMA MCWORKBENCH.FUENTE:STMCWORKBENCH,AUTOR. 68 FIGURA 42:PARÁMETROS DEL MOTOR.FUENTE:STMCWORKBENCH,AUTOR. 68
FIGURA 43:EXPORTAR EL PROYECTO PARA PODER TRABAJAR EN STM32CUBEMX.FUENTE:STM32CUBEMX,AUTOR. 69 FIGURA 44:INTERFAZ DEL PROGRAMA STM32CUBEMX.FUENTE:STM32CUBEMX,AUTOR. 70 FIGURA 45:PINES EN USO EN NUESTRO MICROCONTROLADOR.FUENTE:STM32CUBEMX,AUTOR. 70 FIGURA 46:NVIC.FUENTE:STM32CUBEMX,AUTOR. 71
6
FIGURA 47:OPCIONES EN LA GENERACIÓN DE CODIGO.FUENTE:STM32CUBEMX,AUTOR. 72
FIGURA 48:DESCARGA DE LA APLICACIÓN EN LA PLACA.FUENTE:IAREMBEDDED WORKBENCH,AUTOR. 73 FIGURA 49:INTERFAZ BÁSICA DE CONTROL DEL MOTOR.FUENTE:STMCWORKBENCH,AUTOR. 74 FIGURA 50:INTERFAZ AVANZADA DE CONTROL DEL MOTOR.FUENTE:STMCWORKBENCH,AUTOR. 75 FIGURA 51:PESTAÑA DE CONFIGURACIÓN.FUENTE:STMCWORKBENCH,AUTOR. 75 FIGURA 52:SOBREOSCILACIÓN EN LA VELOCIDAD DEL MOTOR.FUENTE:STMCWORKBENCH,AUTOR. 76 FIGURA 53:GRÁFICA DE VELOCIDAD CON KP =1000 Y KI =0.FUENTE:STMCWORKBENCH,AUTOR. 77 FIGURA 54:GRÁFICA DE VELOCIDAD CON KP =3800 Y KI =0.FUENTE:STMCWORKBENCH,AUTOR. 78 FIGURA 55:SOBREOSCILACIÓN PRODUCIDA POR UN VALOR MUY ELEVADO DE KP.FUENTE:STMCWORKBENCH,AUTOR. 78 FIGURA 56:GRÁFICA DE VELOCIDAD CON KP =3800 Y KI =100.FUENTE:STMCWORKBENCH,AUTOR. 79 FIGURA 57:GRÁFICA DE VELOCIDAD CON KP =3800 Y KI =1000.FUENTE:STMCWORKBENCH,AUTOR. 80 FIGURA 58:GRÁFICA DE VELOCIDAD CON KP =7100 Y KI =8000.FUENTE:STMCWORKBENCH,AUTOR. 81 FIGURA 59:RAMPA DE ACELERACIÓN 1.FUENTE:STMCWORKBENCH,AUTOR. 82 FIGURA 60:RAMPA DE DECELERACIÓN 2.FUENTE:STMCWORKBENCH,AUTOR. 83
FIGURA 61:RAMPA DE ACELERACIÓN 3.FUENTE:STMCWORKBENCH,AUTOR. 83 FIGURA 62:RAMPA DE DECELERACIÓN 4.FUENTE:STMCWORKBENCH,AUTOR. 84
7
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA 1:VALORES FACTOR DE BOBINADO SEGÚN NÚMERO DE BOBINAS Y POLOS. 26 TABLA 2:COMPARATIVA ENTRE EL MOTOR PMSM Y EL BLDC. 39 TABLA 3:COMPARACIÓN ENTRE EL MOTOR DE INDUCCIÓN Y EL MOTOR BLDC. 40
TABLA 4:COMPARACIÓN ENTRE EL MOTOR DC(CON ESCOBILLAS) Y EL MOTOR BRUSHLESS. 42 TABLA 5:POSIBLES ESTADOS DEL INVERSOR EN LA MODULACIÓN SVPWM.FUENTE:MICROCHIP.(29) 49 TABLA 6:CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR BR-2804. 60 TABLA 7:PARÁMETROS ELÉCTRICOS OBTENIDOS MEDIANTE LA REALIZACIÓN DE MÚLTIPLES ENSAYOS.FUENTE:MOTOR
PROFILER,AUTOR. 62
TABLA 8:PARÁMETROS MECÁNICOS OBTENIDOS MEDIANTE LA REALIZACIÓN DE MÚLTIPLES ENSAYOS.FUENTE:MOTOR
PROFILER,AUTOR. 63
TABLA 9:VALORES ELÉCTRICOS PROPORCIONADOS POR ST.FUENTE:STMCWORKBENCH. 63
TABLA 10:VALORES MECÁNICOS PROPORCIONADOS POR ST.FUENTE:STMCWORKBENCH. 64 TABLA 11:PARÁMETROS ELÉCTRICO CON VALORES DE ENTRADA SIMILARES A LOS DE ST.FUENTE:MOTOR PROFILER. 64 TABLA 12:PARÁMETROS MECÁNICO CON VALORES DE ENTRADA SIMILARES A LOS DE ST.FUENTE:MOTOR PROFILER. 64 TABLA 13:VALORES INICIALES DE LAS GANANCIAS DEL CONTROL PI.FUENTE:STMCWORKBENCH,AUTOR. 76
TABLA 14:VALORES DE LA PRIMERA PRUEBA DEL CONTROL PI.FUENTE:STMCWORKBENCH,AUTOR. 77 TABLA 15:VALORES DE PRUEBA DEL CONTROL PI.FUENTE:STMCWORKBENCH,AUTOR. 79 TABLA 16:VALORES DE PRUEBA DEL CONTROL PI.FUENTE:STMCWORKBENCH,AUTOR. 80 TABLA 17:TABLA 16:VALORES DE LA ÚLTIMA PRUEBA DEL CONTROL PI.FUENTE:STMCWORKBENCH,AUTOR. 81
TABLA 18:VALORES CARACTERÍSTICOS DE LAS RAMPAS.FUENTE:AUTOR. 82 TABLA 19:TABLA CON LOS COSTES DE LOS MATERIALES.FUENTE:AUTOR. 88 TABLA 20:TABLA CON LOS COSTES DE INGENIERÍA.FUENTE:AUTOR. 88 TABLA 21:TABLA CON LOS COSTES FINALES DEL PROYECTO.FUENTE:AUTOR. 89 TABLA 22:PLACA DE CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR.FUENTE:AUTOR. 93
8
ÍNDICE DE ACRÓNIMOS
DC –Direct Current. Corriente continua. AC –Altern Current. Corriente alterna.
BLDC –Brushless Direct Current (Motor). Motor de corriente continua sin escobillas. FOC –Field Oriented Control. Control orientado de campo o control vectorial. ESC –Electronic Speed Controller. Controlador electrónico de velocidad.
PMSM –Permanent Magnets Synchronous Motor. Motor síncrono de imanes permanentes. ACIM –Altern Current Induction Motor. Motor de inducción o motor asíncrono.
PWM –Pulse Width Modulation. Modulación por ancho de pulso.
9
UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA
Escuela Técnica Superior de Ingeniería del Diseño
I.
MEMORIA
TRABAJO FINAL DEL
Grado en Ingeniería Eléctrica
REALIZADO POR
SERGIO CIFRE GREGORIO
TUTORIZADO
POR
FRANCISCO RODRÍGUEZ BALLESTER
11
RESUMEN
El presente documento lo encontramos dividido en tres partes principales donde se tratan los diferentes temas y conceptos que abarca el proyecto.
En primer lugar, se presentan los motores que intervienen en el trabajo. Se exponen y explican los conceptos básicos de los motores BLDC o brushless.
En la segunda parte entramos en el control orientado de campo (FOC, por sus siglas en inglés) o control vectorial. Se desarrollan los procesos o pasos a seguir para la realización de dicho control de manera básica a modo de poder entender su funcionamiento.
Y en último lugar, se exponen los ensayos llevados a cabo gracias al kit de control de STMicroelectronics. Con este equipo se ha realizado el control vectorial de velocidad y se han obtenido y presentado gráficas que expresan de manera clara el comportamiento del motor ante diferentes peticiones de velocidad.
12
RESUM
El present document el trobem dividit en tres parts principals on es tracten els diferents temes i conceptes que abasta el projecte.
En primer lloc, es presenten els motors que intervenen en el treball. S'exposen i expliquen els conceptes bàsics dels motors BLDC o brushless.
En la segona part entrem en el control orientat de camp (FOC, per les seues sigles en anglés) o control vectorial. Es desenvolupen els processos o passos a seguir per a la realització d'aquest control de manera bàsica a manera de poder entendre el seu funcionament.
I en últim lloc, s'exposen els assajos duts a terme gràcies al kit de control de STMicroelectronics. Amb aquest equip s'ha realitzat el control vectorial de velocitat i s'han obtingut i presentat gràfiques que expressen de manera clara el comportament del motor davant diferents peticions de velocitat.
13
ABSTRACT
The present document is divided into three main parts where the different themes and concepts covered by the project are discussed.
Firstly, the motors involved in the work are presented. The basic concepts of the BLDC or brushless motors are presented and explained.
In the second part we enter on the field oriented control (FOC) or vector control. We develop the processes or steps to follow to carry out this control in a basic way in order to understand its operation.
And lastly, the tests carried out thanks to the STMicroelectronics control kit are presented. With this equipment, the vector speed control has been carried out and graphs have been obtained and presented which clearly express the behaviour of the motor when faced with different speed requests.
14
1.
OBJETIVOS.
Los objetivos que vamos a abordar mediante la realización de este proyecto podemos dividirlos en tres secciones principales. En primer lugar, se busca explicar y desarrollar el concepto y funcionamiento de los motores BLDC, ampliando así los tipos de motores vistos en las asignaturas de máquinas eléctricas. Para ello, se exponen de manera breve los principios básicos y leyes del electromagnetismo necesarios para su posterior comprensión.
Cabe destacar que el electromagnetismo no es el objeto de estudio del presente documento, ya que si así fuera abarcaría varios libros estudiarlo con detenimiento. Como se verá en los apartados pertinentes, las fórmulas han sido tomadas de los libros que en la bibliografía se indican, evitando así su desarrollo matemático.
Veremos de manera detallada las partes que conforman el motor, como es el estator, que como se intuye es la parte estática de la máquina y sobre la cual va montado el bobinado. El rotor, parte que gira sobre su eje longitudinal sobre el cual van montados los imanes permanentes. También trataremos los diferentes tipos de motores según sus tipologías constructivas, y acompañando a todo esto, se incluirán planos y diagramas para facilitar la comprensión de la estructura de la máquina en cada caso.
A continuación, veremos cómo se excitan los bobinados del motor para su correcto funcionamiento, teniendo en cuenta el circuito pertinente para ello, el ESC (Electronic Speed Controller). Entraremos en contacto con ciertos detalles del citado circuito, así como también se presentará un esquema eléctrico básico para entender de manera más clara la composición de este.
Una vez vistos los detalles constructivos y funcionales de esta máquina se expondrán las ventajas e inconvenientes que nos ofrece. Se realizará una comparación entre el motor que nos trae este documento y algunas de las máquinas más comunes que podemos encontrar en la industria o en la vida cotidiana, como pueden ser el motor sincrónico de imanes permanentes (PMSM), el motor asíncrono o de inducción y el motor convencional de corriente continua (brushed DC motor).
En segundo lugar, se revisará y ampliará el control FOC (Field Oriented Control), visto en la asignatura de máquinas eléctricas, como método de regulación de los motores BLDC. Se realizará un estudio teórico de lo que supone el control orientado de campo (FOC), la manera más eficiente de controlar una máquina eléctrica (1) y de los conceptos que con este tipo de control están relacionados.
Por último, se pondrá en práctica los conceptos estudiados previamente con ayuda del kit de desarrollo STM32 Núcleo del control FOC de un pequeño motor BLDC. Dicho kit cuenta con una parte de control, la placa NUCLEO F302R8 y una placa de potencia, la X-NUCLEO-IHM07M1. En el anexo que encontramos al final del documento se puede observar el esquema eléctrico de la placa y sus principales componentes y/o características. Además, antes de proceder con el control estudiaremos de manera detallada nuestro motor en particular, indicando sus propiedades físicas como tamaño, número de bobinas, etc. así como sus características eléctricas, por ejemplo, como la tensión de trabajo.
El objetivo final de este proyecto es el de llevar a cabo el control sobre un motor brushless mediante el algoritmo proporcionado por ST modificando los parámetros del control PI y
15 observando cómo estos influyen en el comportamiento del motor ante las diferentes consignas de velocidad y rampas de aceleración y deceleración. Para ello se expondrán los resultados obtenidos ante las diferentes consignas de velocidad planteadas y se presentará las gráficas de velocidad obtenidas por medio del plotter del programa de control pertinente y las conclusiones extraídas de las pruebas realizadas.
2.
LOS MOTORES BLDC.
Las máquinas eléctricas se han convertido en una de las piezas que han servido como pilares fundamentales para el desarrollo del ser humano. Allá donde miremos, podemos encontrar diferentes tipos de motores (o generadores) eléctricos realizando gran variedad de funciones. Desde una situación cotidiana como es poner la lavadora y que un pequeño motor sea el que se encargue del centrifugado hasta los grandes motores/generadores de las centrales de bombeo que abastecen a cientos de miles de hogares con electricidad, los motores nos han acompañado desde su invención contribuyendo a la mejora de nuestra calidad de vida y a la obtención de un mayor grado de comodidad. Además, cabe decir que, sin ellos, la industria y nuestra forma de vida no serían en ningún aspecto tal y como las conocemos hoy en día. Por tanto, podemos afirmar sin ninguna duda que estas máquinas suponen una parte indispensable de nuestra realidad en el día a día.
Cada vez con mayor frecuencia vemos diferentes vehículos o elementos de recreo que cuentan, en especial, con el tipo de motores que se tratan en este documento. Por ejemplo, los patinetes eléctricos, vehículos que están contribuyendo a la mejora de la movilidad de las personas y, sobre todo, a fomentar un transporte más limpio. Estos dispositivos cuentan con un motor BLDC insertado en su rueda delantera, un motor que, como explicaremos más adelante, es un tipo de motor brushless conocido como outrunner. Un beneficio con el que cuenta este vehículo al usar esta máquina es el bajo mantenimiento que el motor necesita debido a la ausencia de escobillas. Esto deriva en que podemos realizar un uso más prolongado sin necesidad de desmontar la rueda para reparar el motor o simplemente para hacer un mantenimiento preventivo del vehículo.
Ya sea un patinete o un vehículo de mayores prestaciones como una motocicleta, los BLDC se presentan como los motores idóneos para estas aplicaciones donde la fuente de alimentación de estas máquinas son baterías.
Otro ejemplo que cada día resulta más común son los drones. Estos aparatos usan (en la mayoría de los casos) como método de propulsión los motores BLDC debido a su buena relación entre el peso, el tamaño y su potencia. (2)
Los drones son un tipo de UAV (Unmanned Aerial Vehicle), un vehículo aéreo no tripulado que cada vez tiene una mayor aceptación en cuanto a su uso por la sociedad, donde podemos encontrar múltiples ejemplos. Tienen aplicaciones militares en las cuales son usados como vehículos espía, o aplicaciones policiales donde se usan para ayudar a la vigilancia en eventos multitudinarios o en carreteras. También son usados para la vigilancia de bosques y como método de prevención de grandes incendios o para la vigilancia de playas evitando ahogamientos por la rápida respuesta de los socorristas que usan estos aparatos. Y, actualmente, cada vez con mayor frecuencia, son incluso construidos por piezas por parte de
16 aficionados a los drones, lo que hace que estos aparatos sean cada vez más accesibles para cualquier persona y, con ellos, los motores BLDC.
Es en parte debido a este uso cada vez más cotidiano, pero a su vez también industrial, que se ha creído interesante realizar un estudio de los motores BLDC con la intención de que el lector conozca de manera más cercana y familiar los principios de dichas máquinas.
2.1.
MAGNETISMO.
Como decíamos anteriormente, vamos a exponer de manera breve algunos conceptos sobre magnetismo necesarios para el entendimiento del funcionamiento del motor.
Los polos magnéticos o imanes, presentes en nuestro caso en el rotor y responsables de la inducción magnética. La inducción magnética, responsable de la aparición de una fuerza capaz de hacer rotar el eje de la máquina. La ley de Biot Savart, con la que se puede calcular la inducción producida por las bobinas de los motores. La primera ley de Laplace, que relaciona la fuerza magnética en función de la inducción y la corriente eléctrica y, finalmente, la regla de Fleming de la mano izquierda, con la que podemos conocer el sentido de la fuerza en función de la inducción producida por los imanes permanentes del rotor y las corrientes de las bobinas del estator.
Los motores eléctricos convierten la energía eléctrica en energía mecánica y los generadores, por el contrario, transforman la energía mecánica de entrada en energía eléctrica. Esta transformación la hacen mediante los campos electromagnéticos que en la máquina se producen. Y mediante el estudio y el entendimiento de los principios electromagnéticos somos capaces de construir cada día máquinas más avanzadas y eficientes.
Independientemente del tipo de motor, ya sea AC (inducción, sincrónico, etc.) o de DC (brushed, brushless, etc.) todos los motores siguen el mismo principio de funcionamiento. Y para entender dicho funcionamiento vamos a ver los diferentes conceptos y fórmulas que lo respaldan.
2.1.1.
POLOS MAGNÉTICOS.
Como ya sabemos, los imanes cuentan con dos polos, el polo norte y el polo sur. Estos, generan unas líneas de campo, también conocidas como líneas de fuerza magnética que fluyen desde el polo norte al polo sur. El fenómeno de las líneas de campo se explica mediante la Ley de Gauss para el campo magnético. Esta ley, dada por:
∇
⃗⃗ · 𝐵⃗ = 0
Lo que viene a decir que la divergencia del campo magnético es igual a 0. Es decir, no hay fuentes del campo magnético, toda línea de fuerza va y vuelve y se cierra sobre sí misma (3). Y es debido a esta fuerza magnética que los polos iguales se repelen y los polos diferentes se atraen. (Figura 1).
17
Figura 1: Atracción y repulsión entre polos. Fuente: MonolithicPower.
Como curiosidad podemos decir que las brújulas funcionan mediante este fenómeno, sin embargo, el polo norte de una brújula es atraído por el polo Norte terrestre y el sur por el polo Sur. Esto es debido a que el polo Norte terrestre es en realidad el polo sur magnético y viceversa. Y en cuanto a los motores, es mediante esta atracción y repulsión por la cual se produce la rotación del eje de la máquina. Es decir, el estator produce un campo magnético que bien atrae o bien repele al campo magnético producido por el rotor y, de esta manera se produce el movimiento del motor.
Según la construcción de cada motor, los campos magnéticos del rotor y del estator son producidos bien por un bobinado, es decir, el motor funciona mediante la excitación de electroimanes, o bien esta excitación se produce por imanes permanentes montados en el motor. Esta última disposición es la que corresponde al caso que nos atañe, donde vamos a encontrar los imanes situados en el rotor. Sin embargo, explicaremos más detalladamente la construcción del motor en la sección pertinente.
Como ejemplo del primer caso, podemos citar las máquinas sincrónicas dotadas de núcleos magnéticos en el rotor sobre los cuales van montadas las bobinas por las que circula corriente continua para crear el inductor. Aunque cabe destacar que también podemos encontrar máquinas sincrónicas con imanes permanentes montados en el rotor (PMSM, Permanent Magnets Synchronous Motor) con los que producen la inducción necesaria para su funcionamiento.
2.1.2.
INDUCCIÓN MAGNÉTICA
Una carga eléctrica 𝑞 en movimiento genera un campo magnético. Si dicha carga se mueve con una velocidad 𝑣 en el interior de un campo magnético, esta experimentará una fuerza 𝐹 que será perpendicular a la dirección de 𝑣 . Dicha fuerza es perpendicular a la inducción magnética
𝐵⃗ , y vendrá expresada en función de esta última mediante la fórmula de Lorentz:
𝐹 = 𝑞(𝑣 × 𝐵⃗ ) (𝑁)
Si además existe un campo eléctrico, dicha carga experimentará una fuerza de acuerdo con:
18 Ecuación que toma el nombre de fuerza de Lorentz (4).
La unidad de medida de la inducción magnética en el sistema internacional es el Tesla, y según
lo extraído del libro “Fundamentos electromagnéticos para la ingeniería” esta unidad se define como “El Tesla (𝑇) es el valor de la densidad de flujo magnético que produce una fuerza de un newton sobre una carga de un coulomb que se mueve perpendicularmente al campo con una
velocidad de un metro por segundo” (5).
2.1.3.
LEY DE BIOT-SAVART
Jean Baptiste Biot y Félix Savart establecieron que un elemento de corriente genera un campo magnético. “Un elemento de corriente es la intensidad que fluye por una porción tangente al hilo conductor de longitud infinitesimal y cuyo sentido es el de la corriente eléctrica (𝑑𝑙 ). Su expresión viene dada por 𝐼 · 𝑑𝑙 ” (5).
La ley de Biot-Savart establece que “La densidad de flujo magnético creada por una corriente
eléctrica rectilínea indefinida en un punto, es proporcional a su intensidad e inversamente
proporcional a la distancia entre el punto y la corriente” (5).
De estas afirmaciones podemos extraer que el campo magnético es producido por el movimiento de una carga, lo que también incluye a la propia corriente eléctrica. Además, hay que destacar que sólo una carga en movimiento puede estar sometida a la acción de un campo magnético. Y mediante la Ley de Biot-Savart podemos calcular el campo magnético en un punto producido por un cable que porta una corriente:
𝑑𝐵 ⃗⃗⃗⃗⃗ = 𝜇0 4 · 𝜋· 𝐼 · 𝑑𝑙⃗⃗⃗ × 𝑟̂ 𝑟2 y donde el elemento: 𝑑𝐵
⃗⃗⃗⃗⃗ = Inducción magnética en el determinado punto. Se mide en Teslas (T).
𝜇0= Permeabilidad magnética en el vacío, cuyo valor es de 4𝜋 · 10−7 ( 𝑚·𝑘𝑔
𝐶2 ).
𝐼 = Intensidad que circula por el conductor (𝑑𝑙 ). Sus unidades son el Amperio (A).
𝑑𝑙 ⃗⃗ = vector dirección de la corriente eléctrica. Se mide en metros (m).
𝑟̂ = vector unitario que señala la dirección de 𝑑𝑙 al determinado punto donde se calcula la inducción.
19
Figura 2: Ley de Biot-Savart. Fuente: phys.libretexts.org
La ley de Biot-Savart (Figura 2) viene expresada según la fórmula: (6)
𝐵⃗ = 𝜇0 4 · 𝜋∫
𝐼 · 𝑑𝑙 × 𝑟 𝑟2 𝑙
Si ahora consideramos un conductor rectilíneo de longitud L, que porta una corriente de I amperios y calculamos la inducción en un punto X:
Tomando la fórmula extraída del libro “Electromagnetismo y Circuitos Eléctricos” (7), ya que no es objeto de este documento la demostración matemática de la obtención de dicha fórmula, tenemos que la inducción magnética producida por un conductor rectilíneo queda como:
𝐵 = 𝜇0· 𝐼 4𝜋 · 𝑟 (𝑇)
Siendo:
𝑟= distancia desde el conductor al punto X en estudio.
En el caso de la inducción en un punto producido por una espira tenemos que la inducción, procediendo de manera análoga al caso anterior la podemos calcular con la fórmula:
𝐵 = 𝜇0· 𝐼 · 𝑅
2
2(𝑅2+ 𝑥2)32
(𝑇)
Donde el elemento:
𝑅= Radio de la espira medido en metros (m).
𝑥=Distancia perpendicular desde el plano que contiene la espira al punto en estudio (en metros (m)).
20 Ahora, si en vez de tomar una espira, pensamos en una bobina formada por N espiras idénticas y suponemos que están situadas en un mismo plano fruto de su proximidad, cada espira produce la misma inducción magnética, y la bobina en su conjunto:
𝐵 =𝑁 · 𝜇0· 𝐼 · 𝑅
2
2(𝑅2+ 𝑥2)32
(𝑇)
Siendo:
𝑁=Número total de espiras que conforman la bobina.
Con esta fórmula podríamos calcular la inducción que produce una bobina que se encuentra formando parte del circuito electromagnético del motor tomando en cuenta algunos factores como, por ejemplo, la permeabilidad magnética del hierro que conforma los núcleos polares (8).
2.1.4.
LA LEY DE LAPLACE
No podemos entender el funcionamiento o simplemente el porqué del giro de un motor sin tener en cuenta la ley de Laplace (9). Situando un conductor que porta una corriente eléctrica de 𝐼 amperios en las inmediaciones de un campo magnético de inducción 𝐵⃗ , este experimenta una fuerza que viene dada por la expresión:
𝑑𝐹 = 𝐼 · (𝑑𝑙⃗⃗⃗ × 𝐵⃗ ) (𝑁)
Que expresada en valores finitos queda de la forma:
𝐹 = 𝐵 · 𝑙 · 𝐼 · sin(𝐼^𝐵) (𝑁)
En la cual:
𝐹= Fuerza que experimenta el conductor en el campo magnético en Newtons. (N).
𝑙= Longitud total del conductor en metros. (m).
Suponiendo que la inducción magnética sea perpendicular a la corriente, la dirección de la fuerza resultante vendrá determinada por el producto vectorial anterior. El sentido lo podemos obtener por medio de la regla de Fleming de la mano izquierda, que podemos observar en la Figura 3.
21
Figura 3: Regla de Fleming de la mano izquierda. Fuente: electrical4you
Esta regla nos indica que si situamos los dedos en posición como si de un triedro trirrectángulo se tratase, e imaginamos que el dedo índice representa la inducción, y que el dedo corazón representa la corriente, el sentido de la fuerza nos viene determinado por el dedo pulgar.
2.2.
¿POR QUÉ MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA?
La máquina de corriente continua ha tenido una gran importancia a lo largo de la historia. El generador de corriente continua o dinamo pasó a los libros de historia como la primera máquina que se usó para producir energía eléctrica a gran escala.
Por otro lado, la principal ventaja que los motores de corriente continua ofrecían en la industria como en la fabricación del papel o en el transporte como eran los vehículos ferroviarios se debía a la facilidad con la que se podía controlar la velocidad y el par de dichos motores. Pero con el desarrollo de la electrónica de potencia, los motores DC (Direct Current, Corriente Continua) han ido perdiendo importancia en detrimento de los motores de corriente alterna, ya que son más baratos de construir y tienen un mantenimiento más reducido. (10)
Ahora bien, en cuanto a lo que corresponde a los motores que hasta aquí nos traen, cuentan con algunas ventajas de un tipo de motor y del otro. Por ejemplo, como los motores de AC (Altern Current, Corriente Alterna) carecen de escobillas, por lo que el mantenimiento es más reducido que con los motores DC. Estos últimos, por otro lado, al ser alimentados mediante corriente continua son idóneos para usar en sistemas móviles con batería.
2.3.
DESARROLLO CONSTRUCTIVO DE LOS MOTORES BLDC.
Los motores BLDC, como su nombre (en inglés, Brushless Direct Current) indica, son un tipo de motores alimentados mediante corriente continua, y a diferencia de los motores DC convencionales, estos no llevan escobillas (brushes). La conmutación necesaria para que el rotor
22 gire se realiza mediante transistores MOSFET en el circuito llamado ESC (Electronic Speed Controller).
De esta manera, nos encontramos con una primera ventaja que es que debido a la ausencia de escobillas eliminamos las pérdidas que en este elemento se producen en un motor de corriente continua convencional. Y en suma a esto hay que destacar que debido a la ausencia de estos elementos rozantes el mantenimiento se ve notablemente reducido a causa de que no se produce en los motores BLDC un desgaste continuo. Tampoco se producen en los motores brushless chispazos fruto de la conmutación que sí podemos observar en los motores DC con escobillas.
De manera general podemos dividir el motor brushless en dos partes significativas, el rotor y el estator. Además, como decíamos, es necesario para el control de este motor un circuito llamado ESC que, a pesar de no formar parte del motor, estos siempre van a tener que ir de la mano. El hecho de que este motor necesite de un circuito adicional para poder ser accionado es, en comparación con otros motores que no necesitan de circuito específico para su funcionamiento, una posible desventaja. Ya que la necesidad de un circuito adicional supone, aunque mínima una complejidad adicional y, además se traduce en un aumento de puntos donde se puede producir un fallo del sistema.
2.3.1.
ESTATOR
El estator, como su propio nombre indica, y como apuntábamos en los objetivos del documento es la parte fija del motor. Este elemento está formado por chapa magnética apilada. Tiene una serie de ranuras donde van arroyadas las bobinas (coils) que crean el campo magnético necesario para repeler y/o atraer el campo magnético creado por el rotor.
Figura 4: Detalle de las partes del motor BLDC. Fuente: HowToMechatronics.
En la Figura 4 podemos ver de manera simplificada los núcleos polares sobre los cuales van arrolladas las bobinas. Estas bobinas junto con los núcleos magnéticos del estator conforman el circuito electromagnético del motor, y este lo podemos encontrar en configuración monofásica, bifásica y trifásica, aunque trataremos únicamente con la configuración trifásica debido a que es la más común de entre las tres.
23 La configuración trifásica de las bobinas se basa en una conexión en estrella de los devanados. En el motor tenemos tres bornes de conexión (A, B y C en la Figura 5), es decir, por una parte, tenemos un extremo de cada bobinado por donde alimentaríamos al circuito y, por otro lado, los otros tres extremos están conectados entre sí en un punto común.
Figura 5: Configuración en estrella (Star) de los bobinados de un motor. Fuente: e-radiocontrol.com.
Según la fuerza contraelectromotriz que en el motor se produce, podemos encontrar dos tipos diferentes de bobinados de estator, el sinusoidal y el trapezoidal. La forma de esta señal depende de la disposición de los arrollamientos que conforman las bobinas y de la distancia de entrehierro1. Así, un entrehierro variable creará una forma de onda sinusoidal, mientras que un
entrehierro constante no lo hará. Debido a la distancia variable del entrehierro, donde haya una menor distancia tendremos mayor número de líneas de campo, por tanto, mayor inducción y como consecuencia mayor fuerza electromotriz. Este es el caso de algunos motores de corriente alterna sincrónicos que cuentan con piezas polares diseñadas con una geometría para tal efecto. No siendo así en el caso que nos atañe debido a que la distancia de entrehierro del motor BLDC es constante, obteniendo de esta manera una fuerza contraelectromotriz de forma trapezoidal.
Figura 6: Fuerza contraelectromotriz de forma trapezoidal producida por un BLDC. Fuente: Microchip.
1 El entrehierro (o airgap) en un motor eléctrico es el espacio de aire o separación entre el estator y el
24 En la Figura 6 podemos ver como los bobinados de un motor BLDC generan una onda de fuerza contraelectromotriz de forma trapezoidal que se opone a la tensión de alimentación del motor de acuerdo con la ley de Lenz.
La Ley de Lenz, según lo enunciado en el libro de “Fundamentos electromagnéticos para la ingeniería” dice así (5): “El sentido de la corriente inducida es tal que por sus efectos
electromagnéticos se opone a la variación del flujo que la produce”. La ley de Lenz es la interpretación del signo de la ecuación que expresa la Ley de Faraday:
𝑒 = −𝑑𝜑
𝑑𝑡 (𝑉)
De este modo, la fuerza contraelectromotriz generada por la rotación del motor en cada bobinado dependerá de la velocidad con la que este gire, del campo magnético que los imanes del rotor produzcan y del número de espiras de las bobinas del estator. Y vendrá dada por la ecuación:
𝑒 = −2 · 𝐵 · 𝑙 · 𝑟 · 𝜔 · 𝑁 (𝑉)
donde:
𝑟 = radio del motor (en metros).
𝜔 =velocidad de rotación del motor (rad/s). (11)
2.3.2.
ROTOR
El rotor de cualquier motor eléctrico, como su propio nombre indica, es la parte del motor que gira. Esta pieza o conjunto de piezas consta de una barra o eje sobre el que gira de manera longitudinal y sobre el cual van montados los imanes permanentes. Este tipo de configuración del motor brushless se conoce como inrunner.
Si, por otro lado, tenemos un motor donde su eje central está anclado por medio de la base del motor a la bancada, en este caso dicho eje es la parte inmóvil del motor. Sobre él, van montados los bobinados y los imanes permanentes los tenemos dispuestos en un rotor en forma de anillo alrededor del eje (bobinado) del motor. En este caso, esta configuración se la conoce como outrunner.
En el siguiente apartado trataremos con las características de cada configuración y veremos qué características tienen los motores brushless inrunner y los outrunner.
Volviendo a los detalles constructivos del rotor, tenemos que este está constituido, como indicábamos al principio, por imanes permanentes. Estos imanes se disponen de manera alterna, polo norte - polo sur. En nuestro caso, el motor con el que procederemos a realizar las pruebas consta de siete pares de polos montados en su rotor. (Características del motor BR-2804.).
25 A la hora de realizar el diseño y construcción del motor, en función de la densidad de flujo magnético que se necesita, se eligen los materiales con los que se tienen que construir los imanes permanentes del motor. Por un lado, tenemos los materiales ferrosos, que han sido muy utilizados a lo largo de la historia de la construcción de motores eléctricos y que además son más económicos, pero por otro lado tienen la desventaja de que para un volumen determinado tienen menor densidad de campo magnético. Además, fruto de la investigación, se han desarrollado y siguen en proceso de avance nuevos materiales y aleaciones que permiten tener una mayor densidad de flujo magnético con un menor volumen de imán. Estos imanes permiten la construcción de motores que para un mismo torque2 el volumen total de la máquina sea
menor que el de un motor construido con imanes de materiales ferrosos, u obtener un torque mayor para un mismo volumen.
Algunos ejemplos de los nuevos materiales magnéticos son el Neodimio, Samario Cobalto (SmCo) y la aleación de Neodimio, Ferrita y Boro (NdFeB). (11)
Dependiendo de cómo están montados los imanes en el rotor, podemos encontrar diferentes tipos de disposiciones, y estas son, montados en la superficie del rotor, enterrados en el rotor y encastrados en este.
Figura 7: Disposición de los imanes: En superficie, enterrados y encastrados. Fuente: Microchip.
Se indica como detalle que el motor del que disponemos tiene los imanes montados en superficie, aunque en este caso, a diferencia de la primera ilustración de la Figura 7: Disposición de los imanes: En superficie, enterrados y encastrados.Figura 7, el motor es outrunner.
2.3.3.
RELACIÓN BOBINAS (RANURAS) VS. POLOS.
A la hora de construir y/o seleccionar un motor, hay que tener en cuenta un parámetro que se denomina factor de devanado. Este factor, un número que se encuentra entre los valores de 0 y 1 expresa la parte de la corriente de armadura que se usa para producir el par en el motor eléctrico (12). Es decir, el par de un motor eléctrico es proporcional al factor de devanado fundamental y, viene determinado por: (13)
2 El par (Torque en inglés) es el momento de fuerza que ejerce un motor sobre su eje. Además, el par de
26
𝑘𝑤= 𝑘𝑝· 𝑘𝑑· 𝑘𝑠 Donde:
𝑘𝑤=Factor de bobinado o devanado.
𝑘𝑝=Factor de acortamiento (o paso).
𝑘𝑑=Factor de distribución.
𝑘𝑠=Factor de inclinación de ranura.
Los valores que toma el factor de devanado según la combinación de polos y bobinas nos da la siguiente tabla extraída del documento “Distribution, coil-span and winding factors for PM machines with concentrated windings. S. E. Skaar, Ø. Krøvel, R. Nilssen”. (14)
Tabla 1: Valores factor de bobinado según número de bobinas y polos.
En la Tabla 1 podemos ver los diferentes valores que toma el factor de bobinado según la combinación entre el número de bobinas y el número de polos en nuestro motor. La región en gris representa las combinaciones que no son viables, los valores en rosa son las regiones límite con 𝑞 =1
2 y 𝑞 = 1 4
3. Las áreas rojas son áreas que se han dejado fuera por cuestiones de diseño
y las áreas rojas oscuras son los valores donde el número de polos es igual al número de bobinas.
2.3.4.
INRUNNER VS. OUTRUNNER
Como se puede entender de lo visto hasta el momento, la principal diferencia o, dicho de otro modo, la que en primer lugar se aprecia a simple vista es la disposición del rotor y del estator en el motor. En un primer caso, el motor inrunner dispone de una parte externa fija en forma de anillo, sobre la cual van montados los bobinados. Y una segunda parte interna formada por el eje de la máquina donde se encuentran los imanes permanentes del motor.
3 El valor 𝑞 es el número de ranuras por polo y fase. Este se calcula como: 𝑞 = 𝑁º 𝑟𝑎𝑛𝑢𝑟𝑎𝑠 𝑁º 𝑝𝑜𝑙𝑜𝑠·𝑁º𝑓𝑎𝑠𝑒𝑠
27 En la Figura 8 se ve con gran claridad el estator de un motor inrunner. Se observan las piezas polares en cuyas ranuras van introducidas las bobinas del motor. También podemos observar en la Figura 4 un diagrama simplificado de cómo sería un motor inrunner.
Figura 8: Detalle del estator de un motor brushless inrunner. Fuente: Microchip.
En un segundo caso, tenemos el motor brushless outrunner, este motor consta de un eje central fijo sobre el que va montado el bobinado de la máquina. Y una parte externa en forma de anillo donde van montados los imanes permanentes del motor y que gira alrededor del eje, es decir, esta parte externa, en el motor outrunner es el rotor.
28
Figura 9: Detalle del estator (derecha) con bobinado concentrado y del rotor (izquierda) de un motor outrunner. Fuente: Archivo del autor.
En la Figura 9 podemos observar las partes de un motor outrunner muy común en la construcción de drones. Este motor de la imagen tiene, por una parte, un estator donde vemos las bobinas del motor junto con sus tres terminales de conexión (cables rojo, negro y amarillo). En él encontramos un total de 6 pares de bobinas, al igual que en el motor que usaremos para el desarrollo del control FOC.
Ahora hay que clarificar que a diferencia de lo que antes se había expuesto en la explicación de los motores outrunner para que se entendiera de manera más clara su construcción, el eje físico, es decir, la barra metálica central del motor sigue perteneciendo al rotor. Y esta barra está anclada al anillo (rotor del motor outrunner) e introducida en el agujero que sería el eje (imaginario)4 del estator del motor outrunner. Y es sobre este anillo donde se encuentran un
total de siete pares de imanes norte y sur. También este número coincide con el número de imanes que encontramos en el motor de pruebas.
Antes de terminar este apartado debemos realizar una comparación entre las dos tipologías de motores brushless que acabamos de ver. Si realizamos dicha comparación entre dos máquinas de características similares podemos extraer, en líneas generales, algunas diferencias en su comportamiento dinámico y en sus dimensiones.
En primer lugar, los motores outrunner suelen tener diámetros mayores en comparación con su longitud. Esto lo podemos observar en la Figura 10, donde aparece el motor que usaremos para las pruebas del control FOC. Y, por el contrario, los motores inrunner, como se aprecia claramente en la Figura 11 suelen tener longitudes mayores si tomamos como referencia su diámetro.
29
Figura 10: Motor brushless outrunner BR2804-1700Kv. Fuente: Archivo del autor.
Figura 11: Motor brushless inrunner Turnigy XK2845-3650KV. Fuente: Hobbyking.com
Esta característica física que diferencia a ambos motores se puede explicar de la siguiente manera. En un motor outrunner, tenemos una gran longitud de circunferencia donde situar múltiples polos norte-sur. Una cantidad determinada de estos polos interactúan a la vez con las bobinas del estator creando un torque mayor que si solo interactuara un polo con una bobina en cada instante determinado. Por el contrario, en un motor inrunner, la longitud de la circunferencia del rotor donde van montados los imanes es mucho más reducida y como consecuencia, el número de polos que se pueden disponer es menor. Debido a ello, para mantener un nivel de torque requerido se deben disponer de imanes de mayor longitud que en el motor outrunner.
30 Además, debido a que el espacio para los imanes es más reducido, para obtener una densidad de flujo magnético mayor se deben usar imanes de mayor calidad en los motores inrunner. En contraposición a este factor, debido a que en el motor outrunner se pueden usar imanes de mayor tamaño, el momento de inercia que posee este motor es más elevando que el de los inrunner. Este hecho deriva en que los motores inrunner tiene una mayor aceleración que los outrunner (15).
Para dos motores de similar tamaño, uno inrunner y otro outrunner, la constante kv de cada motor será diferente. La constante kv o revoluciones por minuto (r.p.m.) es un valor característico de cada motor y nos dice a cuantas r.p.m. girará el motor estando en vacío en función de la tensión aplicada. Si, por ejemplo, nuestro motor que tiene una constante kv de 1700 y se le aplica 1V, el motor (estando en vacío) girará a 1700 revoluciones por minuto, y si a este mismo motor le aplicamos 10V, girará a 17000 r.p.m.
Aunque para ser técnicamente correctos, la definición dada del kv no es tan simple. La obtención de las revoluciones del motor mediante el producto de kv por la tensión, aunque no es exacta, sí nos da una idea bastante razonable y cercana de la velocidad de rotación en vacío del motor. Para aclarar de manera más exacta qué es el kv lo explicaremos de manera más detallada más abajo en este documento. (16)
Y prosiguiendo con la comparación de ambos motores, el motor inrunner tendrá un mayor kv que un motor outrunner. Se debe a que como decíamos al principio, el motor inrunner tiene menor número de polos en su rotor, y esto se traduce en que se necesitan menos pulsos del circuito que controla el motor, el ESC (circuito que estudiaremos en su apartado pertinente), para completar una vuelta. Por el contrario, en un motor outrunner, al disponer de un mayor número de polos deriva en que se necesitarán mayor número de pulsos de un mismo ESC para que dicha máquina complete una vuelta entera.
Si comparamos ahora ambos motores de igual potencia, en cuanto al torque que pueden desarrollar cada uno, aquel que tenga mayor velocidad, es decir, el inrunner, será el que menor par desarrollará. Esto se explica mediante la fórmula:
𝑃 = 𝑇 · 𝜔
Donde:
𝑃 =Potencia en Watios.
𝑇 =Par o Torque en N·m.
De modo que, para una misma potencia, a mayor velocidad tendremos menos par o torque. Siendo así el motor outrunner el que mayor par desarrolle. También podemos observar esto en la ecuación:
𝐾𝑡 =
1 𝐾𝑣 Donde:
31
𝐾𝑣=Constante de velocidad del motor. (17)
Como última comparación, si queremos saber cuál de ambos es más eficiente, puede ser una tarea más complicada de resolver. Se debe a que, en la eficiencia del motor, no sólo influye el tipo de máquina, sino también el fabricante y los materiales usados, su tamaño y potencia, etc. Sin embargo, podemos hacernos una idea de qué motor es más eficiente entre dos de similar tamaño por su capacidad de disipación de calor.
Un motor outrunner, tiene los bobinados donde se genera calor en el centro, y este debe fluir por el eje del motor y hacia el exterior. Para facilitar dicha tarea, el rotor tiene unos agujeros de ventilación por los que fluye aire para refrigerar directamente los bobinados.
Por su parte, el motor inrunner tiene las bobinas montadas en el anillo exterior (estator) del motor, que debido a ser una gran superficie metálica facilita su refrigeración de manera más efectiva que en el motor outrunner. Debido a un menor calentamiento, el motor inrunner funciona de manera más eficiente que el motor outrunner. (18)
Finalmente, hay que dejar bien claro que todas las premisas establecidas son a nivel orientativo y que, en última instancia, habría que estudiar en cada caso el motor en particular, ya que como se ha dicho anteriormente, las características y prestaciones de cada motor dependen de muchos factores entre los que se encuentran su potencia, los materiales usados para su construcción, su propia fabricación, su tamaño y su tipología.
2.4.
CARACTERÍSTICA KV DEL MOTOR.
Como decíamos previamente, kv es una constante que expresa de una manera bastante aproximada las r.p.m. del motor por voltio aplicado en sus terminales. Es decir, si multiplicamos la tensión de alimentación del motor por su constante kv obtendremos la velocidad de giro del motor en vacío, aunque no de manera exacta.
Ahora bien, como decíamos en el apartado del estator, la fuerza contraelectromotriz (f.c.e.m.) generada por el motor dependerá de la velocidad de rotación de este. Siendo la fórmula que expresa esta relación:
𝐸 = 𝐾𝑒· 𝜔 Donde:
𝐸 = Fuerza contraelectromotriz (V).
𝐾𝑒= Constante de f.c.e.m. (V/rad/s).
𝜔 = Velocidad angular del motor. (rad/s).
32
Figura 12: Circuito equivalente motor brushless.
El circuito de la Figura 12 muestra las tres fases de un motor brushless. En él, vemos indicadas las características eléctricas que definen a este motor.
Tomando la fase A como ejemplo encontramos: 𝑅𝑎, una resistencia que representa las pérdidas en el cobre; 𝐿𝑎, que simboliza las bobinas del estator; y una fuente 𝐸𝑎 que representa la f.c.e.m. que se opone a la tensión principal de alimentación según la Ley de Lenz.
Si suponemos la corriente a través del circuito como constante, vemos que la bobina se convierte en cortocircuito, por tanto, analizando el circuito tenemos que la tensión entre el borne de alimentación de la fase A y el punto neutro (punto común a las tres fases) queda como:
𝑉 = 𝐼 · 𝑅 + 𝐸𝑎= 𝐼 · 𝑅 + 𝐾𝑒· 𝜔
Y de esta fórmula podríamos despejar y calcular la velocidad del motor:
𝜔 = 𝑉 − 𝐼 · 𝑅 𝐾𝑒
Conociendo 𝐾𝑒 de la ficha técnica del motor al igual que R, y midiendo la corriente en vacío del motor y la tensión de alimentación podemos obtener la velocidad de rotación de la máquina. Y la constante 𝐾𝑣 es la inversa de la constante 𝐾𝑒, siendo:
𝐾𝑣 =
1 𝐾𝑒
Así, nuestro motor de 1700𝐾𝑣 generará 1V de f.c.e.m. cuando gire a 1700 r.p.m. y generará 10V cuando lo haga a 17000 r.p.m.
33 Y para finalizar este apartado, cabe incluir la constante de torque o par motor que viene dado por la fórmula:
𝑇 = 𝐾𝑡· 𝐼 En la cual:
𝑇 =Torque o par motor (Nm).
𝐾𝑡 = Constante de par (Nm/A).
𝐼 =Intensidad que consume el motor (A).
Figura 13: Característica Par/Velocidad motor brushless. Fuente: Microchip.
En la Figura 13 se observa la característica de par-velocidad de un motor BLDC. Los valores más representativos que podemos extraer de una gráfica como la que se presenta son los de la velocidad y el par nominal.
2.5.
ELECTRONIC SPEED CONTROLLER.
El ESC (Electronic Speed Controller) es el circuito que se encarga de controlar el motor brushless. Este transforma la energía que proviene de una batería o de un convertidor de alimentación de corriente continua, según se trate un vehículo o un equipo estacionario, en un sistema de corrientes trifásico para alimentar los tres bobinados del motor.
El ESC cuenta con una etapa de potencia constituida por al menos 6 transistores MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Estos semiconductores actúan como interruptores conectando y desconectando las bobinas entre la tensión de alimentación y tierra (GND). Los MOSFET son una opción idónea para esta aplicación debido a sus reducidas pérdidas producidas por su muy baja RDS(ON), la resistencia típica en conducción de estos semiconductores. Y, además,
34 valores máximos que pueden soportan los MOSFET, valores más reducidos que los que pueden soportar otros semiconductores como son los IGBT, caracterizados por tener mayores pérdidas que los primeros. (19)
Otro punto a favor de los MOSFET es que se controlan a través de su puerta (Gate) mediante una señal de tensión, no siendo necesario un controlador que aporte mucha potencia. Este valor de tensión debe ser superior a un valor característico de cada modelo de semiconductor y viene dado en la hoja de características mediante el nombre Gate Threshold Voltage.
El circuito del ESC también debe incorporar dicho controlador para gobernar los MOSFET. (20) Éste se encarga de transformar o traducir la petición de velocidad que desde un microcontrolador se envía al ESC para gobernar al fin y al cabo la rotación del motor. Es decir, desde el microcontrolador, el usuario o sistema envía al ESC una petición de velocidad, esta petición es recibida por el controlador incorporado en el circuito y este, a su vez, traduce esta señal que indica un nivel de velocidad concreto, a una frecuencia de conmutación determinada para los MOSFET con la finalidad de que el campo magnético del estator cambie su frecuencia de giro, lo que se traduce en que el rotor, obligado a seguir el campo magnético del estator varíe su velocidad.5
La conmutación de los MOSFET se realiza como se muestra en la Figura 1Figura 14, en ella podemos observar que para que el motor complete una vuelta total es necesario que se completen seis pasos o steps (21). De la figura podemos extraer que la tensión entre la alimentación y tierra es aplicada entre dos bobinas, dejando la tercera al aire.
Variando la duración de esas seis conmutaciones podemos controlar la velocidad de rotación del motor. Es decir, cuanto menor sea el ancho de pulso de la señal PWM menor será la duración de un paso (step) y el rotor se verá obligado a seguir el campo magnético del estator a mayor velocidad.
Figura 14: Conmutación de los MOSFET en un motor BLDC. Fuente: HowToMechatronics.
5 Recordemos que el motor BLDC es un motor síncrono, es decir, su rotor gira a la misma velocidad que
35 En la Figura 15 vemos un esquema simplificado del circuito del ESC. En él, podemos ver en la parte izquierda de la figura, el controlador del circuito. Éste tiene, por una parte, una serie de entradas que por lo general serán las que vemos en el esquema, de petición de marcha/paro, de dirección y de consigna de velocidad. También serán entradas a este controlador las señales enviadas por una parte del circuito encargado de medir la f.c.e.m. producida por las bobinas del motor debido al giro del rotor. La detección de la f.c.e.m. mostrará al controlador la posición del rotor de la máquina, permitiéndole de esta manera la conmutación de fase para un correcto funcionamiento del motor.
Por otra parte, en cuanto a las salidas, el procesador constará de seis señales de control de los semiconductores de potencia (seis en total que conforman el puente inversor), que podemos ver en el centro del esquema. Los semiconductores forman lo que se conoce como puente inversor, éste toma la corriente desde el sistema de alimentación y conmuta a la frecuencia pertinente según lo que le ordena el procesador para que el motor establezca la velocidad requerida por un usuario o sistema que introduce un valor de referencia.
Figura 15: Esquema funcional del circuito ESC. Fuente: Microchip.
Para mostrar de manera más clara como se energizan las bobinas, en la Figura 16 vemos el proceso que sigue el circuito del ESC para hacer que el rotor de la máquina complete una vuelta entera. Como decíamos la tensión entre el positivo y tierra es aplicada entre dos bobinas del estator. La tercera bobina se queda al aire, pero fruto del giro del rotor, más específicamente de los imanes que este lleva montados en él, en esta tercera bobina se inducen unas tensiones que vienen determinadas por la ley de Lenz, expuesta anteriormente.
Este fenómeno sirve al ESC para conocer la posición del rotor y poder determinar cuándo debe realizar con exactitud la conmutación necesaria para que el rotor siga girando de la manera más suave posible. Gracias a la inducción que se produce en la tercera bobina que queda al aire en cada conmutación podemos saber de la posición del rotor sin necesidad de usar sensores como pueden ser los sensores de efecto Hall o los encoders.
36
Figura 16: Proceso de conmutación (energización) de los bobinados del motor. Fuente: Microchip.
2.6.
APLICACIONES DE LOS MOTORES BLDC.
Los motores brushless son una clase de máquina que están experimentando una serie de aplicaciones muy variadas y cada vez más extendidas. Debido a sus características son idóneos para múltiples aplicaciones, algunas de las cuales se indican a continuación:
• Drones. Es difícil concretar si este es el uso más extendido de los motores BLDC, lo que sí se puede afirmar es que sea el más conocido. Actualmente, desde drones profesionales como los usados para vigilancia de carreteras o drones militares hasta drones de recreo construidos por aficionados, todos ellos cuentan con este tipo de motor. Se debe principalmente a su buena relación entre el peso y volumen, además de contar cada vez con un precio más apetecible para el público general.
37 • Industria Aeroespacial. Estos motores son usados y han sido usados en las misiones
“Apollo”, en la circulación de aire de los vehículos espaciales. Esto se debe a que,
como se dijo anteriormente, estos motores tienen un mantenimiento prácticamente nulo y poseen gran fiabilidad.
• Aplicaciones marinas. Al igual que esto motores se pueden usar para drones aéreos, también pueden ser equipados en drones submarinos. Estas máquinas, con el índice IP6 adecuado (de 66 en adelante) son capaces de ser usados en vehículos de
propulsión para buceadores y drones hasta para propulsar barcos.
• Aplicaciones médicas. Según la web “KDEDirect”, este tipo de máquinas han visto
un incremento significativo para este uso en 2018. Otra característica mencionada anteriormente, la no aparición de chispas fruto de la ausencia de un conmutador físico, los hace ideales para no interferir con otros equipos electrónicos sensibles. • Robótica. La ausencia de escobillas permite reducir el peso del motor y también que
este gire más rápido. Además de un ruido menor por la ausencia de estos elementos. Estos motores se usan en rovers, robots de servicio e incluso en robots de batalla. • Transporte. El número de vehículos propulsados mediante este motor se está
incrementando notablemente. Con las nuevas necesidades de movilidad y un transporte más limpio, son cada día más comunes los vehículos eléctricos y en particular, los que usan estos motores. Entran en esta categoría los patinetes eléctricos, las motos, hoverboards, etc. (22)
2.7.
MOTORES BLDC VS. MOTOR SÍNCRONO, ASÍNCRONO Y DC.
En el siguiente apartado se muestran diferentes comparaciones entre el motor protagonista de este documento, el motor Brushless de corriente continua y los motores más comunes en la industria.
Entre ellos se expone el motor sincrónico de imanes permanentes o PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor), el cuál a diferencia del BLDC, es alimentado a través de corriente alterna. En un segundo caso se compara con la máquina asíncrona o de inducción, también alimentada por corriente alterna y cuyo rotor puede ser bien en jaula de ardilla o bobinado. Y en última instancia se presenta una comparación con el motor convencional de corriente continua, es decir, con el motor DC con escobillas.
2.7.1.
MOTOR BLDC VS. MOTOR SINCRÓNICO DE IMANES PERMANENTES.
El motor sincrónico de imanes permanentes es un tipo de máquina que se alimenta mediante corriente alterna. Este motor consta de un estator en el cual tiene los devanados dispuestos de manera distribuida. Estos devanados son alimentados mediante una corriente sinusoidal para obtener de este modo un par constante. (23) Por otro lado, en el rotor de la máquina van montados los imanes permanentes, al igual que en el motor brushless. Además, este motor es
6 El índice IP clasifica y señala el grado de protección que otorga el contenedor que protege a un equipo
38 necesario que lleve incorporado un sensor de posición preciso para saber en todo momento en qué posición se encuentra el rotor de la máquina.
En la siguiente tabla se presentan las principales diferencias entre el motor BLDC y el motor PMSM: (24)
PMSM BLDC
El motor sincrónico tiene los devanados distribuidos, consiguiendo así una f.c.e.m. sinusoidal.
El motor brushless tiene los devanados concentrados, consiguiendo así una f.c.e.m. trapezoidal.
Potencia y par electromagnético constantes.
El motor sincrónico necesita un sensor de posición preciso para conocer la posición del rotor en cada instante.
El motor brushless tiene un control de
posición cada 60˚ eléctricos, lo que
hace su control más simple.
Ambos motores requieren de la misma electrónica, 6 transistores.
Alimentado mediante el vector de tensión.
Alimentado mediante el vector de corriente.
El rizado del par que tiene este motor puede ser prácticamente despreciable.
Este motor sí que tiene un rizado en el par fruto de las conmutaciones.
El debilitamiento del campo es mayor en los BLDC que en los motores PMSM.
La construcción del motor síncrono es más compleja que la del motor brushless y, por tanto, más cara.
El motor BLDC es mejor para velocidades más bajas y el PMSM permite trabajar a velocidades más altas.
39 El PMSM es una máquina más silenciosa que el motor brushless.
Tabla 2: Comparativa entre el motor PMSM y el BLDC.
2.7.2.
MOTOR BLDC VS. MOTOR ASÍNCRONO.
El motor asíncrono de inducción es una máquina eléctrica que funciona mediante la alimentación con corriente alterna. Este motor posee un estator donde se encuentran los devanados distribuidos. Son estos los que producen el campo magnético rotatorio y que inducen un voltaje en el rotor que a su vez generan unas corrientes en el rotor formado por conductores cortocircuitados y acero laminado. A su vez, estas corrientes interactúan con el campo magnético del estator y generan las fuerzas que hacen girar al rotor. Estas fuerzas aparecen debido a la interacción entre campos magnéticos fruto de la diferencia entre velocidad del campo magnético del estator, que es igual a la de la frecuencia eléctrica de alimentación, y la velocidad de giro del rotor que es unos hercios por debajo a la del estator, de ahí que en este motor haya una característica denominada deslizamiento, que se calcula como:
𝑠 =𝑛𝑠− 𝑛𝑟𝑜𝑡 𝑛𝑠 Donde:
𝑠 =deslizamiento.
𝑛𝑠= velocidad de sincronismo (en r.p.m.), igual a la frecuencia eléctrica de alimentación (en España 50 Hz).
𝑛𝑟𝑜𝑡= velocidad de giro del rotor (en r.p.m.).
Las diferencias entre ambos motores se presentan a la siguiente tabla: (25) (26)
MOTOR DE INDUCCIÓN BLDC
El motor de inducción desarrolla un nivel de par menor a velocidades reducidas.
El motor BLDC puede operar a cualquier velocidad con su nivel de par nominal.
40 La relación potencia/tamaño en el motor de inducción es más reducida que en
el motor brushless.
El motor BLDC tiene mejores características dinámicas que el motor de inducción.
El motor de inducción no necesita ningún tipo de circuito adicional para funcionar a velocidad fija. Sí lo necesita en caso de esta sea variable.
El motor brushless necesita en cualquier caso de un circuito adicional (ESC) para su funcionamiento.
En el motor de inducción se produce un deslizamiento y este aumenta con la carga del motor.
No se produce deslizamiento entre la velocidad del campo magnético del estator y la velocidad de giro del rotor.
El motor brushless se refrigera más fácilmente y por tanto, su punto de eficiencia es más elevado que el del motor de inducción.
El máximo valor del factor de potencia con el que puede trabajar el motor de inducción es alrededor de 0,85.
El motor brushless puede trabajar con un factor de potencia cercano a la unidad.
En los motores de inducción podemos ajustar la inducción magnética mediante el uso de un convertidor apropiado.
En los motores BLDC la inducción magnética producida por los imanes permanentes no se puede modificar.
Tabla 3: Comparación entre el motor de inducción y el motor BLDC.
2.7.3.
MOTOR BLDC VS. MOTOR DC.
Como decíamos previamente en un apartado previo, las máquinas de corriente continua han tenido una gran importancia en las páginas de la historia. El motor de corriente continua ha tenido una gran importancia debido a su facilidad para el control de la velocidad, y antes de la modernización de la electrónica de potencia, estos motores tenían un papel indiscutible en aquellas aplicaciones donde la variación de la velocidad era un requerimiento indispensable. Así, por ejemplo, los primeros vehículos ferroviarios con tracción eléctrica fueron equipados con máquinas de corriente continua precisamente por la simplicidad de su regulador de velocidad.